植被光谱分析与植被指数计算Word文档下载推荐.docx

植被光谱分析与植被指数计算Word文档下载推荐.docx

《植被光谱分析与植被指数计算Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《植被光谱分析与植被指数计算Word文档下载推荐.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

植被可分为三个部分组成：

植物叶片（PlantFoliage）

植被冠层（PlantCanopies）

非光合作用植被（Non-Photosynthetic

Vegetation）

这三个部分是植被分析的基础，下面对他们详细介绍。

1.1植物叶片（PlantFoliage）

植物叶片包括叶、叶柄以及其他绿色物质，不同种类的叶片具有不同的形状和化学成份。

对波谱特征产生重要影响的主要化学成份包括：

（Pigments）、水分（Water）、碳（Carbon）、氮（Nitrogen）,这也是遥感反演的基础，如用植被指数来估算叶子的化学成份。

色素（Pigments）

叶色素主要包括叶绿素、叶黄素和花青素。

这些都是植被的健康的指标，比如含高浓度叶绿素的植被一般很健康，相反，叶黄素和花青素常常出现在健康较差的植被，濒临死亡的植被出现红色、黄色或棕色。

叶色素只影响可见光部分（400nm^700nm），图1为几种叶色素在可见光范围的相对光谱吸收特征。

0.04

图i部分叶色素的相对光谱吸收持征

Msuzu-uoK」osq<

水分（Water）

叶子的几何特性、冠层结构和对水的需求影响

植被的水分含量。

水分对植被反射率的影响波段范围在NIR和SWIR（图2）。

在1400nm和1900nm附近有吸收波谷，但是传感器一般会避开这两个波段范围。

在970nm和1190nm附近也有强吸收特征，可利用这两个波段范围监测植被水分。

碳（Carbon）

植物中的碳是以很多形式存在，包括糖，淀粉,纤维素和木质素等。

纤维素和木质素的吸收特征表现在短波光谱范围内容（图3）o

氮（Nitrogen）

叶子中的氮元素一般包含在叶绿素、

蛋白质以及其他分子中。

植被指数（VI）对包含在叶绿素中的氮元素很敏感（大约含6%氮）。

包含在蛋白质中的氮元素在1500nm^1720nm范围内对叶片波谱

特征影响比较大。

从上可以看出，植被与辐射的相互作用主要体现在叶片的波谱特征，因此，在可见光谱段内，主要太阳辐射的吸收来自叶绿素、叶黄素和花青素，形成450nm和670nm附近的吸收谷；

在近红外谱段内，主要太阳辐射的吸收来自水分，形成970nm和门90nm

两个水吸收带；

在短波红外谱段内，除了水分，各种形式存在的碳和氮也对太阳辐射的吸收有一定的贡献，形成1400nm和1900nm吸收谷。

图3是叶片反射率与透射光谱（TransmittanceSpectra）对比例子，木本植被和草本植被在色素、水分、氮等含量不一样,反射率与透射光谱关系也不一样。

图3木本植物（A）和草本植物（B）的叶片反射率与透射

光谱

1.2植被冠层（PlantCanopies）

单片叶子的反射特性对植被冠层光谱特征是重要的，此外，叶子数量和冠层结构对植被冠层的散射、吸收也有重要的影响。

比如不同的生态系统中，森林、草原、或农业用地等都具有不同的反射特性，虽然它们单个叶子很类似。

有很多植被模型用于描述冠层光谱特征。

两个最重要的是叶面积指数（LAI）和叶倾叶角分布（LAD）oLAI指每单位面积地上绿叶面积，这表现了冠层中绿色植被的总数；

LAD描述了树叶所有类型的定向，常用平均叶倾角（MLA）近似。

MLA表示冠层中的每个叶片角度与水平方向的差值的平均值。

图4表示LAI和LAD对植被冠层的影响效果，MLA近似LAD。

在近红外谱段内，植被强反射太阳辐射,植被冠层在可见光和SWIR-2是强吸收。

使用可见光和SWIR-2的植被指数对上层林冠非常敏感。

图4

LAI（A）和MLA（B）的增减对植被冠层的影响

1・3非光合作用植被（Non-Photosynthetic

Vegetation）

在自然界里，还包括占了全球植被覆盖一半的衰老或死亡植被，它们被称为非光合作用植被（简称

NPV）oNPV的冠层也具有木本森林结构，如树干，茎,和树枝等。

NPV主要包含碳元素，以淀粉，纤维素和木质素形式存在，NPV的光谱特征主要受这些物质支配。

在短波红外内的波动比较大，与绿色植被相反，SWIR-1和SWIR-2范围内散射占主导。

图5显示了绿色植被和NPV冠层光谱特征。

5001000150020002500

Wavelength（nm）

654321oooooO

图5透射绿色植被和干植被的冠层反射特性的变化

（400nrrT2500nm）

2.植被指数

植被指数（VI）是两个或多个波长范围内的地物反射率组合运算，以增强植被某一特性或者细节。

所有的植被指数要求从高精度的多光谱或者高光谱反射率数据中计算。

未经过大气校正的辐射亮度或者无量纲的DN值数据不适合计算植被指数。

下面是7大类27种植被指数的说明，这些植被指数都是经过严格生物条件下测试的。

2.1宽带绿度BroadbandGreenness（5种）

宽带绿度指数可以简单度量绿色植被的数量和生长状况，它对植物的叶绿素含量、叶子表面冠层、冠层结构比较敏感，这些都是植被光合作用的主要物质，与光合有效辐射（fAPAR）也有关系。

宽带绿度指数常用于植被物候发育的研究，土地利用和气候影响评估，植被生产力建模等。

宽带绿度指数选择的波段范围在可见光和近红外，一般的多光谱都包含这些波段。

下面的公式中规定波段的中心波长：

pNIR=800nm,pRED二680nm,pBLUE二450nmo表1宽带绿度指数植被指数基本描述

归一化植被指数增加在近红外波段

（NormaIized范围绿叶的散射与

1）归一化植披指数（NormalizedDifferenceVegetationIndexNDVI）

NDVI众所周知的一种植被抬敌.在LAI值很高•即植被茂密时其灵敏度会降低。

其计算公式为

PwPred

Pntr^Pred

NDW二

（式1）

值的范围是一般绿色檢被区的范甬是0.2F.8,

2）比值植被指数（SimpleRatioIndexSR）

SR指数也是众所周知的一种植被指敌.在LAI值很高・即植被茂密时其灵墩度会降低。

其计算公式为：

Per

Pred

sr二

（式2）

值的范闱杲0~30+・一般绿色檢被区的范用绘2~8.

3）增强植被指数（EnhancedVegetationIndexEVI）

EVI通过丿川入蓝色波段以增强植被信号.桥正土壤背最和气落胶散射的形响：

EVI；

T；

i|J]•LAI值高.即植被U几

计算公式为:

（式3〉

值的范闱是・1T.一般绿色榊被I乂他疋II；

是0.278。

4）大气阻抗植被指数（AtmosphericallyResistantVegetationIndexARVI）

ARVI是NDVI的改进.它使用蓝色波段矫正大气散射的影响（如气溶胶）.ARVI常用于大气气涓胶浓度很高的区域.如烟尘污染的热带地区或原始刀耕火种地区。

（式4）

值的范制是-W.一般绿色榊被区的范圉是0.2P.&

5）绿度总和指数（SumGreenIndexSG）

SG拆敌是用「•探测绿色植被变化最简单的植彼拆敌。

由丁•在可见光范困内.绿色植被对光强吸收.SG指数对稀疏植彼的小变化非常敬感。

SG指数是500nm-600nm范用内平均波谱反射率。

总和掖后会彼转化回反射率乜值的范阖杲S50+・一般植被区域是1325。

2.2窄带绿度NairowbandGreenness（7和〔）

窄带绿度拆数对叶绿素含址.叶子表面冠层.叶聚丛.冠层结构作常敏感。

它使用了红色与近红外区域部分一一红边.红边是介T690nm-740nmZ间区域.包括吸收与故射。

它比宽带绿度指数更加灵做特别是对于茂密植被。

表2窄带绿度指数

Vogelmann红边播数3（VogelmannRedEdgeIndex3）标示近红外过渡形状•描示树冠l|fr迫性和衰老迹仪」

在红外过渡定位说人衍生物.对叶绿素浓度非常俶

红边数（RedEdgePositionIndex）

1）红边归一化植被指数（RedEdgeNormalizedDifferenceVegetationIndexNDVI705）

NDVI705是NDVI的改进型，它对叶冠层的微小变化、林窗片断和衰老非常灵狐它可用于楮细农业、森林监测、植彼胁迫性探测零，其计愆公式＞J[7][8]：

P75Q-P705

NDW705二

P75O^P7Q5

（式5）

值的范圉是-1-1.一般绿色檢被区的范用是0.2~09

2）改进红边比值植被指数（ModifiedRedEdgeSimpleRatioIndexSR705）

mSR705改正了叶片的镜面反射效应，可它可用于精细农业、森林监测、植被胁迫性探测等。

其计

算公式为［6］：

075。

—P$45

P7OS+P445

mSR705=

（式6）

值的范围是0~30・一般绿色植被区的范禺是2~8.

3）改进红边归一化植被指数（ModifiedRedEdgeNormalizedDifferenceVegetationIndexmNDVl705）

mNDVI705是NDVI705的改进型，它考虑了叶片的镜面反射效应。

它对叶冠层的做小变化.林樹片断

和衰老非常灵敬，它可用于精细农业.森林监测、植彼胁迫性探测等。

其计算公式为:

P7SQ—p705

mNDVI705=

（式7）

值的范圉是・1T・一般绿色Ift被区的范用是0.2P.7。

4）Vogelmann红边指数1（VogelmannRedEdgeIndex1VOG1）

V0G1指数对叶绿素浓度.叶冠层和水分儈虽的综介非常敏感。

它可应用T植物物候变化研短蒂细农业和植被生产力建模，其计算公式为：

P720

0720

V061=

（式8）

值的范制是0-20.-般绿色植被区的范m4~8,

5）Vogelmann红边指数2（VogelmannRedEdgeIndex2VOG2）

V0G2指数对叶绿素浓度.叶冠层和水分作城的综介菲常墩媒它可应用T•植物物候变化研短将细农业和植被生产力建模.其计算公式为：

P讥「th丽

P715+P?

26

值的范围是0-20.一般绿色植被区的范闲是4泪’

6）Vogelmann红边指数3（VogelmannRedEdgeIndex3VOG3>

VOG3指数对叶绿素浓度.叶冠圧和水分含虽的综介非常墩感。

它可应用丁植物物候变化研短將细农业和植被生产力建模，其计算公式为：

VOG3^P7】s+P720

（式10）

值的范闱是0~20・一般绿色植被区的范闲皑48。

7）红边位賈指数（RedEdgePositionIndexREP）

REP指数对植被叶绿索浓度变化.叶绿索浓度增加便得吸收特征变宽及红边向长波段方向移动非常敬感；

红边位址在

690nm~740nm范闲内急剧倾斜波长范骷一玻植被在700nm~730nm,

REP指数的结果输出是在0.69微米~0.74微米光谱范用内.植被红边区域内的反射率的掖大&

数的波长。

常用于农作物监测和估产•生态系统干扰探测.光合作用喪型•和由气候或其他因索产生的冠层胁迫性，

2.3光利用率LightUseEfficiency（3种）

光利用率拆数是用来度就植被在光合作用中对入射光的利用效率。

光的利用效率直接与碳吸收效率.植彼生长速度和光含冇效辐射（fAPAR）有很大的关系。

表3光利用率指数

越本描述

植被描数

对估算叶片类胡萝卜素（尤其黃色色索）、叶片胁光化学横彼芥彳数（PhotochemicalReflectanceIndex）

迫性和碳吸收效率非常有用

於指标

红绿比值指数（RedGreenRatioIndex）对花育索与叶録索的比率非常坡感

1）光化学植被指数（PhotochemicalReflectanceIndexPRI）

PRI对活植物的类胡萝卜素（尤其黄色色素）变化IF常敏感.类胡萝卜素可标识光介作用光的利用率.或者碳吸收效率.可用于研处Irt被生产力和胁迫性.常绿灌木Irt被的健康.森林以及农作物的衰老，其计算公式为：

Ps"

十卩570

值的范闱是-W.一般绿色榊被区的范禺是-0,2-02.

2）结构不敏感色素指数（StructureInsensitivePigmentIndexSlPl）

sipi用来最大限度地提高类胡萝卜素（例如a•胡萝卜素和0•胡萝卜素）与叶绿素比率在冠层结构（如叶面枳指故〉减少时的敬感度.SIPI的增加标识冠层胁迫性的增加。

可用于恒被健康监测、的物生理胁迫性检测和作物生产和产址分析，其计篦公式为：

如00一久45

Ps00+P620

S/P/=

（式12）

值的范0-2.一般绿色植被区的范用是0.8T&

3）红绿比值指数（RedGreenRatioIndexRG）

RG比值拆敌指示由丁•花青素代替叶绿素而引起叶片变红的相关表达式。

可估算植被冠层发展过程.它还定叶片生产力与胁迫性的指示器•丛至可标识一些冠层的开花’应用于植物生长周期（物傥）硏丸.冠层胁迫性检测利作物估产。

RG比值指数结果输岀是红色范禺内所有波段均值除以与绿色范闱内所有波段均值。

值的范0.1-&

一般绿色植被区的范闱是0.7-3,

2.4冠层氮CanopyNitrogen（1种）

冠层氮指数捉供一沖用遥感度址氮浓度的方法。

氮是叶绿素的巫耍组成部分.具有高浓度氮的植彼生长速度较快.冠层氮指数便用短波红外测呈植被冠层中氮的相对含址，

归—化氮指数（NormalizedDifferenceNitrogenIndexNDNI）

NDNI是用于估算植被冠泾中氮的相对含此在1510nm的反射率主要取决「叶片:

:

汕质氐以及冠层总体叶生物1L结合叶片氮含虽和冠圧叶生物址在1520nm范闲内侦测叶片氮的含fib在1680nm波长范用作为参考反射率.冠层叶生物址这个波长范圉具有与1520nm波长范闲类似的反射特性.而且1680nm波长范创内没有氮吸收影响。

NDNI在植被还是绿色以及覆盖浓密时候.对氮育址的变化非常敏感.它用于蒂细农业.生态系统分析和森林管理.其计愆公式为：

】og（i/pist。

）—，og（i/Pij6Qo）

iog（l/p±

B±

^+log（l/p±

^

NDN山

（式13）

值的范0-1.一般绿色植被区的范圉是0.02-0.1.

2.5干旱或碳衰减DryorSenescentCarbon（3种）

干早或碳衰械拆数定用来估算纤维素和木质素干燥状态的碳含量。

干碳分子大址存在于木质材料和衰老.死亡.或休眠的杭被.可以便用这些拆数可以做植彼着火性分析和检测森林的枯枝落叶层。

干早或碳衰减指数是星尸纤维素和木质索在短波红外波段吸收特性而计篦，

便用类胡耍卜秦与叶绿激的比値來检测槓物开始和

tfi被哀减描数（PlantSenescenceReflectanceIndex）

衰老程度

1）归一化木质素指数（NormalizedDifferenceLigninIndexNDLI）

NDU足用来估篦植彼冠层木质素的相对含氐应用生态系统分折和检测森林的枯枝落叶层。

P1.754）-久80）

^（VP1754）+^（l/pi6S0）

NDL山

（式14）

值的范围是0-1.一般绿色植被区的范禺是0.005-0.05,

2）纤维素吸收指数（CelluloseAbsorptionIndexCAI）

CAI可以指示地表含有干燥怕被.纤维素it2000nm-2200nm范用内吸收持征非常敏感。

应用丁•农作物残留监测.植物冠层衰老•生态系统中的秽火条件和放牧管理•其计篦公式为：

Ndw°

%32000+P2200丿—02100

（式15）

值的范围是・3~4+・一般绿色植被区的范圉是・2~4。

3）植被衰滅指数（PlantSenescenceReflectanceIndexPSRI）

PSRI用来鼓大限度地提尚类胡萝卜素（例如u•胡萝卜素和B创萝卜素）与叶绿素比率的灵敢度.PSRI的增加预示冠层胁迫性的增加、植彼衰老的开始和植物果实的成熟。

可用于植越健康监测、植物生理胁迫性检测和作物生产和产址分析.其计篦公式为：

卩6@0一P500

P750PSR匸

（式16）

值的范圉是-W.一般绿色植被区的范圉是-0.1-0.2,

2.6叶色素LeafPigments（4种）

叶色素拆数用于度址植彼中与胁迫性相关的色素。

胁迫性相关的色素包括类胡萝卜素和花青素.这些色素大址存在衰减杭被中.这些指数不能度址叶绿素，叶色索指数应用于农作物监测.生态系统硏究、冠层胁迫性分析和将细农业，叶色素指数耍求反射率数据范闱在S1,

表5叶色素指数

植被播数

基本描述

相对叶绿素浓度的变化

类胡岁卜索反射播数2（CarotenoidReflectanceIndex

与CRI1类似.只足使用了不同的波长

2）

花背索反射芥彳数2（AnthocyaninReflectanceIndex2）

1）类胡萝卜素反射指数l（CarotenoidReflectanceIndex1CRI1）

CRIIXt叶片屮的类胡萝卜素非常敏感•高的CRI1值盘味类胡萝卜素含址相比叶绿素含址多。

11

C«

/l=

P510Psso

（式17）

值的范制绘0T5+.—般绿色植被区的范I科是1-12

2）类胡萝卜素反射指数2（CarotenoidReflectanceIndex2CRI2）

CRI2定CRI1的改进型.在类期萝卜素浓度商时更加有效.离的CRI2值意味类胡萝卜素含城相比叶绿素儈虽多。

其计算公式为：

CRI2二fi51°

卩700

（式18）

值的范围是0T5+.—般绿色植被区的范用是l-llo

3）花育責反射指数l（AnthocyaninReflectanceIndex1ARI1）

ARI1对叶片中的花青索作常敬感.ARIltfl越大表明植被冠层增长或者死亡。

P55QP700

（式19）

值的范围是072“一般绿色植被区的范禺是0.001-0,1.

4）花青素反射指数2（AnthocyaninReflectanceIndex2ARI2）

ARI2对叶片中的花青紊「ARI2值越大表明植被冠从增长或者死亡。

ARI2是ARI1的改进.当花青素浓度高时

更加有效，其计算公式为：

臥（丘一土）

ARI2二

（式20）

值的范围是0~0.2+・一般绿色植被区的范用是0.001-0.1.

2.7冠层水分含量CanopyWaterContent（4种）

冠层水分含量拆数用丁•度址植彼冠层屮水分含址。

水分含址是一个車耍的植物指标.较高的水含虽表明健康植被.生长快及不易若火，冠蜃水分含址指数基T•水在近红外和短波红外范圉内的吸收特征.以及光在近红外范圉的穿透性.综介起來度址总的水柱含址，

表6冠层水分含疑指数

横被播数

水波段描数（WaterBandIndex）

J4fitrt：

900nm处吸收强度随若冠层水債增加而增加

归一化红外描数（NormalizedDifferenceInfrared度fit在1649nm处吸收弟度随若甩层水汕增加而增

Index）加1

1）水波段揃数（WaterBandIndexWBI）

WBI对冠层水分状态的变化作常敏感.随若檢被冠决水分的增加.970nm附近吸收强度相比900nm处有所增强.应用包括冠层胁迫性分析.生产力预测与建模.右火威胁条件分析.农作物管理.以及生态系统生理机能研究。

其计算公式为：

P970

WBI=

一般绿色被区的范围绘0.87.2。

2）归一化水拘数（NormalizedDifferenceWaterIndexNDWI）

NDWI对冠圧水分金址的变化推常墩感•因为在857nm和1241nm具有相似的反射率.但是又不冋于液态水的吸收特性，应用于冠圧胁迫性分析.在浓密叶型Ift被的叶而积指数的硏究.榊被生产力模型.秽火性硏究，其计算公式为：

NDWI=

P5S7+P1241

（式22〉

值的范围是-W.一般绿色植被区的范圉是-0.1-0.4,

3）水分胁迫指数（MoistureStressIndexMSI）

MSI对叶片水分含址的增加作常饭感。

当叶片水分含址的增加.在1599nm处的吸收强度也增加•而在819nm处的吸收强度没有影响：

賊用于冠层胁迫性分折.生产力预测与逢模.看火威胁箓件分析.以及生态系统生理机能研究。

与其他水指数相反.MSI值